Rancang Bangun Dan Analisis Termoelektrik Peltier Cooler Untuk Sistem Pendingin

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS TERMOELEKTRIK PELTIER
COOLER UNTUK SISTEM PENDINGIN

SKRIPSI

MAHDIAN NASUTION
080801004

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013

Universitas Sumatera Utara

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS TERMOELEKTRIK PELTIER
COOLER UNTUK SISTEM PENDINGIN

SKRIPSI


Diajukan untuk memenuhi dan melengkapi syarat mencapai gelar sarjana
sains

MAHDIAN NASUTION
080801004

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013

Universitas Sumatera Utara

PENGHARGAAN

Alhamdulillahirabbil’alamin,
Segala puji dan syukur bagi Allah Subhanahuwata’ala yang telah
melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya yang dianugerahkan kepada penulis demi
kemudahan serta kelancaran hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini

sesuai

dengan waktu yang telah ditetapkan. Sholawat dan salam semoga

senantiasa tercurahkan kepada Rasulullah Sallallahu’alaihiwassalam sang
pembawa petunjuk dan selalu menjadi inspirasi dan teladan bagi penulis.
Penulis menyadari bahwa penyusunan Skripsi ini tak lepas dari do’a,
perhatian, bimbingan, motivasi dan dukungan berbagai pihak, sehingga dengan
keikhlasan dan kerendahan hati pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima
kasih yang sebesar-besarnya kepada Yth.:
1. Bapak Dr. Sutarman, selaku Dekan Fakultas Matematika dan IPA, serta
Pembantu Dekan Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera
Utara.
2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang, selaku Ketua Program Studi Fisika
S1 Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera Utara sekaligus
dosen pembimbing II penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Drs. Syahrul Humaidi, selaku Sekretaris Program Studi Fisika S1
Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera Utara.

Universitas Sumatera Utara


4. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si. selaku dosen pembimbing I yang
telah memberikan bimbingan, masukan, saran bahkan waktu yang
senantiasa diberikan kepada penulis sampai pada akhir penyelesaian
skripsi ini.
5. Bapak Drs. Achiruddin, M.S, selaku Kepala Laboratorium Fisika Atom
yang telah memberikan sumbangsih materi dan ruangan untuk kelancaran
penelitian di Laboratorium Fisika Atom Fakultas Matematika dan IPA
Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Dr. Pauzi dan Bapak Dr. Kurnia Sembiring serta seluruh Dosen dan
Karyawan di Departemen Program Studi Fisika S1, Fakultas Matematika
dan IPA Universitas Sumatera Utara.
7. Kedua orang tua penulis Ayahanda Syahnan Nasution dan Ibunda Maryam
Lubis serta saudara/i kandung penulis (Bang M. Yusuf, Kak Meliana,
Bang Mukhlis, Bang Budi (Kohar), Kak Masnaimah, Kholijah, Sakinah,
Anggina dan Afriansyah) atas dukungannya, doa, motivasi dan materi
yang diberikan dari awal mulai perkuliahan sampai penulisan skripsi ini.
8. Abanganda Abdullah Amin Harahap selaku Abang Ipar penulis yang telah
banyak memberikan dukungan motivasi serta materi dalam menyelesaikan
studi penulis.

9. Teman-teman di kampus yang selalu ada saat diskusi dalam membantu
dalam proses pengerjaan skripsi ini (Veros, Surya, Sahril, Adi, Ajir, Deny,
Khairul, Malim dan Sony)

Universitas Sumatera Utara

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam pembuatan skripsi ini masih
jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari
pembaca yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini menjadi ibadah yang baik bagi penulis dan menjadi
ilmu yang bermanfaat bagi pembaca.
Amin Yaa Rabbal’alamin

Medan, Desember 2013.
Hormat Saya,

Penulis

Universitas Sumatera Utara


ABSTRAK

Telah dibuat dan dianalisis alat pendingin air berkapasitas 5 liter. Dengan
memanfaatkan Peltier Cooler merupakan modul yang dapat menyerap panas
menjadi dingin dengan menggunakan efek peltier sebagai dasar dari prinsip
kerjanya, sensor HSM-20G untuk mendetek perubahan suhu di dalam ruang
pendinginan, mikrokontroler untuk pemrosesan data dan pengontrolan juga LCD
sebagai penampil data. Penelitian ini difokuskan pada pemanfaatan elemen peltier
sebagai pendingin dengn kipas pada sisi pendingin dan sisi buangan panas dari
modul termoelektrik peltier cooler dengan melakukan simulasi mendinginkan air
yang diletakkan pada sisi ruang pendinginan pada modul termoelektrik peltier
cooler. Dengan melakukan variasi volume sampel (tanpa beban, 1 liter, 2 liter, 3
liter, 4 liter dan 5 liter air) dibutuhkan waktu untuk mencapai suhu 9,3 0C (32
menit, 158 menit, 294 menit, 756 menit, 1096 menit dan 1588 menit) dengan
gradian kecepatan v penurunan suhu tiap keadaan (2,92 , 1,85 , 1,89 , 1,59 , 1,64
dan 1,90) menit -1.

Kata kunci : Termoelektrik, Elemen Peltier, Efek Peltier Cooler,
Sistem Pendingin, Sensor HSM-20G.


Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT

Was created and analyzed the water cooler with a capacity of 5 liters. By
utilizing the Peltier Cooler is a module that can absorb heat to cool by using the
Peltier effect as the basis of the principle works, HSM-20G sensor to detect
temperature changes in the cooling chamber, a microcontroller for processing data
and controlling the LCD as well as a data viewer. This study focused on the use of
a Peltier element cooling fan on the side with less cooling and waste heat from the
thermoelectric peltier cooler module to cool the water to simulate the cooling
chamber is placed on the side of the peltier cooler thermoelectric module. By
varying the volume of sample (no load, 1 liter, 2 liter, 3 liter, 4 liter and 5 liter of
water) it takes time to reach the temperature of 9,3 0C (32 minutes, 158 minutes,
294 minutes, 756 minutes, 1096 minutes and 1588 minutes) with velocity gradian
ν temperature drop each state (2,92, 1,85, 1,89, 1,59, 1,64 and 1,90) minute -1.
Key Word : Thermoelectric, Peltier Element, Peltier Cooler Efect, Cooler System,
Sensor HSM-20G.

Universitas Sumatera Utara


DAFTAR ISI

Halaman
Lembar Persetujuan

i

Lembar Pernyataan

ii

Penghargaan

iii

Abstrak

vi


Daftar Isi

viii

Daftar Gambar

xi

Daftar Tabel

xiii

Daftar Grafik

xiv

BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang

1


1.2 Rumusan Masalah

4

1.3 Batasan Masalah

5

1.4 Tujuan Penelitian

5

1.5 Manfaat Penelitian

6

1.6 Metodologi Penelitian

6


1.7 Sistemetika Penulisan

7

BAB II DASAR TEORI
2.1 Termoelektrik
2.1.1 Sejarah Singkat Termoelektrik

9
9

Universitas Sumatera Utara

2.1.2 Efek Seebeck

9

2.1.3 Efek Peltier


11

2.2 Elemen Termoelektrik Peltier

13

2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik

17

2.3.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendingin

17

2.3.2 Parameter Elemen Termoelektrik Peltier Sebagai Pendingin 19
2.3.3 Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier

20

2.4 Sensor Kelembaban dan Temperatur

22

2.5 Relay

25

BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.1 Perancangan Blok Diagram Sistem

27

3.2 Perancangan Rangkaian Tiap Blok

29

3.2.1 Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)

29

3.2.2 Rangkaian Relay

30

3.2.3 Rangkaian dan Karakteristik HSM-20G (Sensor Kelembaban
dan Temperatur)
3.2.4 Rangkaian Microcontroler Unit (MCU)
3.3 Diagram Alir

30
32
33

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengujian LCD (Liquid Crystal Display)

35

4.2 Pengujian Sistem Pendingin

35

Universitas Sumatera Utara

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan

43

5.2 Saran

44

DAFTAR PUSTAKA

45

LAMPIRAN A : GAMBAR RANGKAIAN ALAT
LAMPIRAN B : PROGRAM ALAT
LAMPIRAN C : GAMBAR ALAT DAN PENELITIAN
LAMPIRAN D :
1. Tabel Data T (0C) dan Waktu t (menit) Tanpa Beban
2. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan
Beban 1 liter Air
3. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan
Beban 2 liter Air
4. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan
Beban 3 liter Air
5. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan
Beban 4 liter Air
6. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan
Beban 5 liter Air

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Halaman
Gambar 2.1 Sirkuit termoelektrik yang terbuat dari semikonduktor
A dan B dengan temperetur junction T1 dan T2. Z adalah
koordinat sepanjang konduktor yang digabungkan ujung
a dan b dari voltmeter

10

Gambar 2.2 Ilustrasi sedehana untuk mengamati efek peltier

12

Gambar 2.3 Pergerakan ion-ion pada logam semikonduktor

14

Gambar 2.4 Elemen Peltier

15

Gambar 2.5 Struktur elemen peltier

15

Gambar 2.6 Ilustrasi aliran arus pada elemen peltier

16

Gambar 2.7 Skema aliran peltier

17

Gambar 2.8 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik

19

Gambar 2.9 Temperatur modul termoelektrik (TEC)

20

Gambar 2.10 Susunan dasar system pendingin termoelektrik peltier

21

Gambar 2.11 Susunan sistem termoelektirk

22

Gambar 2.12 Sensor Humidity dan Temperatur

23

Gambar 2.13 Bentuk umum relay

25

Gambar 3.1 Desain blok diagram sistem

27

Gambar 3.2 Blok rangkaian LCD

29

Gambar 3.3 Blok rangkaian relay

30

Gambar 3.4 Rangkaian minimum HSM-20G + filter

31

Gambar 3.5 Rangkaian minimum MCU ATMega8535

32

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.6 Diagram alir alat

33

Gambar 4.1 Grafik (T-vs-t) penurunan suhu tanpa beban

37

Gambar 4.2 Grafik (T-vs-t) penurunan suhu dengan beban 1 liter air

38

Gambar 4.3 Grafik (T-vs-t) penurunan suhu dengan beban 2 liter air

39

Gambar 4.4 Grafik (T-vs-t) penurunan suhu dengan beban 3 liter air

40

Gambar 4.5 Grafik (T-vs-t) penurunan suhu dengan beban 4 liter air

41

Gambar 4.6 Grafik (T-vs-t) penurunan suhu dengan beban 5 liter air

42

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Halaman
Tabel 2.1 Pin sensor HSM-20G

25

Tabel 2.2 Keuntungan dan kerugian dalam pemakaian relay dibandingkan
dengan transistor

26

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GRAFIK

Halaman
Grafik 2.1 Kurva respon HSM-20G pada 25 0C

24

Universitas Sumatera Utara